1、实验方案设计资料新疆大学机械工程学院油田抽油机机械原理实验演示指导说明书2016年7月前 言新疆作为中国西部最大的石油生产基地，石油产业蓬勃发展，石油工业在新疆的经济发展中起着举足轻重的作用。油田抽油机俗称“磕头机”，是重要的开采石油的一种机器设备，通过加压的办法使石油出井。当抽油机上冲程时，油管弹性收缩向上运动，带动机械解堵采油器向上运动，撞击滑套产生振动；同时，正向单流阀关闭，变径活塞总成封堵油当抽油机下冲程时，油管弹性伸长向下运动，带动机械解堵采油器向下运动，撞击滑套产生振动；同时，反向单流阀部分关闭，变径活塞总成仍然封堵油套环形油道，使反向单流阀下方区域形成高压区，这一运动又对地层内的
2、油流通道产生一种反向的冲击力。油田抽油机作为新疆最具典型的机械设备，实验将从对抽油机基本结构、工作原理、抽油过程动态演示以及重点介绍其作为典型四连杆机构的演示。实验有助于学生将对抽油机基本结构、工作原理、抽油过程动态演示以及重点介绍其作为典型四连杆机构的演示更进一步的认识，同时增强对课本知识的实际应用与理解。一、抽油机工作原理常见抽油机即游梁式抽油机是油田广泛应用的传统抽油设备，通常由普通交流异步电动机直接拖动。其曲柄带以配重平衡块带动抽油杆，驱动井下抽油泵做固定周期的上下往复运动，把井下的油送到地面。在一个冲次内，随着抽油杆的上升/下降，而使电机工作在电动/发电状态。上升过程电机从电网吸收能
3、量电动运行；下降过程电机的负载性质为位势负载，加之井下负压等使电动机处于发电状态，把机械能量转换成电能回馈到电网。然而，井下油层的情况特别复杂，有富油井、贫油井之分，有稀油井、稠油井之别。恒速应用问题显而易见。如抛却这些不谈，就抽油机油泵本身而言，磨损后的活塞与衬套的间隙漏失等都是很难解决的问题，况且变化的地层因素如油中含砂、蜡、水、气等复杂情况也对每冲次抽出的油量有很大的影响。看来，只有调速驱动才能达到最佳控制。引进调速传动后，可根据井下状态调节抽油机冲程频次及分别调节上、下行程的速度，在提高泵的充满系数的同时减少泵的漏失，以获得最大出油量。尤其是采用变频调速既无启动冲击，又可解决选型保守、
4、线路较长等所致的功率因数偏低等问题，获得节能增效的同时又能提高整机寿命。尤其是油泵的寿命，减少机械故障提高可靠性。 抽油机地上部分及地下基本结构游梁式抽油机设计任务：抽油机机械系统设计 抽油机是将原油从井下举升到地面的主要采油设备之一。常用的有杆抽油设备主要由三部分组成：一是地面驱动设备即抽油机；二是井下的抽油泵，它悬挂在油井油管的下端；三是抽油杆，它将地面设备的运动和动力传递给井下抽油泵。三部分之间的相互位置关系如图 1所示。 抽油机由电动机驱动，经减速传动系统和执行系统带动抽油杆及抽油泵柱塞作上下往复移动，从而实现将原油从井下举升到地面的目的。 悬点载荷 P、抽油杆冲程 S和冲次n是抽油机
5、工作的三个重要参数。悬点指执行系统与抽油杆的联结点，悬点载荷 P(kN)指抽油机工作过程中作用于悬点的载荷；抽油杆冲程S(m)指抽油杆上下往复运动的最大位移；冲次 n(次/min)指单位时间内柱塞往复运动的次数。 假设悬点载荷P 的静力示功图如图2所示。在柱塞上冲程过程中，由于举升原油，作用于悬点的载荷为 P1，它等于原油的重量加上抽油杆和柱塞自身的重量；在柱塞下冲程过程中，原油已释放，此时作用于悬点的载荷为 P2，它就等于抽油杆和柱塞自身的重量。悬点执行系统与抽油杆的联结点 悬点载荷P(kN)抽油机工作过程中作用于悬点的载荷 抽油杆冲程S(m)抽油杆上下往复运动的最大位移 冲次n(次/min
6、)单位时间内柱塞往复运动的次数 假设电动机作匀速转动，抽油杆（或执行系统）的运动周期为 T。油井工况为：二、抽油机四连杆机构简化以上冲程悬点加速度为最小进行优化，即摇杆 CD顺时针方向摆动过程中的max最小，由此确定a、b、c、d。执行系统设计分析： 一周期内运动循环图设计要求抽油杆上冲程时间为 8T/15，下冲程时间为 7T/15，则可推得上冲程曲柄转角为192，下冲程曲柄转角为 168。 找出曲柄摇杆机构摇杆的两个极限位置。 CD 顺时针摆动C1C2，上 冲 程 ( 正 行 程 ) ， P1 ， =192，慢行程，B1 B2； CD 逆时针摆动C2C1，下 冲 程 ( 反 行 程 ) ，
7、P2 ， =168，快行程，B2 B1。 = 。 曲柄转向应为逆时针，型曲柄摇杆机构 a2 + d 2 b2 + c2 设计约束： (1)极位夹角（2）行程要求 通常取e/c=1.35S = e =1.35c (3)最小传动角要求 (4) 其他约束 整转副由极位夹角保证。各杆长0。 其中极位夹角约束和行程约束为等式约束，其他为不等式约束。 型曲柄摇杆机构的设计： 若以为设计变量，因 S=1.35c ，则当取定时，可得 c。根据c、作图，根据作圆，其半径为 r。三、电机选择根据工况初采用展开式二级圆柱齿轮减速，联合 V型带传动减速，选用三相笼型异步电机 ，封闭式结构，电压 380V Y型由电机至
8、抽油杆的总传动效率为：=1 *2 *3 *4 *5 其中，1 ，2 ，3 ，4 ，5分别为带传动、轴承、齿轮传动、联轴器和四连杆执行机构的传动效率。 1 取0.94 3，2 取0.98 7，3 取0.97，4 取0.99，5取 0.91。 预选滚子轴承，8 级斜齿圆柱齿轮，考虑到载荷较大且有一定冲击，两轴线同轴度对系统有一定影响，可考虑用齿轮联轴器。 则=0.93*0.973*0.972*0.99*0.91=0.72则电动机所需工作功率 Pd= =55.1kw根据手册推荐的传动比合理范围，取 V带传动的传动比为 i0=24，二级圆柱齿轮减速器传动比i2=840 ，则总传动比的合理范围为ia=1
9、6160 ，故电机转速可选范围为 Nd=ia*n=(16160)14=2242240r/min 符合这一范围的同步转速有 750，1000，1500 r/min 考虑速度太小的电机价格、体积、重量等因素，不宜选取.比较后综合考虑，选定 960r/min的电动机。 确定传动装置的总传动比和分配传动比 Ia= =80分配传动比，初选V 带i0=4.5，以致其外廓尺寸不致过大， 则减速器传动比为 i= =17.78则展开式齿轮减速器，查手册,取高速级i1=4.99，则 i2=3.56 计算传动装置的运动和动力参数 将传动装置各轴由高速至低速依次定为 I、II、III轴以及 i0，i1，i2为相邻两轴
10、间的传动比 01，12，23，为相邻两轴间的传动效率 P I,PII,P III,为各轴的输入功率（kW） TI，T II，T III为各轴的输入转矩（kW）I，II，III为各轴的转速（r/min） 则各轴转速：I 轴nI=213.3 r/minII 轴nII=42.75 r/minIII 轴nIII=12.01 r/min曲柄转轴n=n=12.01 r/min各轴输入功率： I 轴PI=Pd*1=55.1*0.93=51.243 KW II 轴PII=PI*12=PI*2*35= 51.243*0.97*0.97=48.22 KW III 轴PIII=PII*23= 48.22*0.97*
11、0.97=45.37KW曲柄转轴PIII*34= PIII*4=45.37*0.99=44.92KW各轴输入转矩： 电机输出转矩Td=9550=9550*=548.13N/m I 轴TI= Td*i0*01=548.13*4.5*0.93=2293.92N/mII 轴TII=TI*i1*12=2293.92*0.97*0.97*4.99=10770.16N/m III 轴TIII*i2*23=10770.16*3.56.0.97*0.97=36075.77N/m曲柄转轴T=TIII*34=360755.77*0.99=35715.01 N/m四、结束语经过对抽油机工作原理，典型四连杆机构以及其电机的选择，实验由浅入深，从多方面学习和了解抽油机，将从全面和重点了解抽油机相关机械原理、机构设计等。实验突出机械相关性，教学相长，具有很强的现实意义。实验将有助于学生对课本所学知识点的实际应用，同时突出新疆机械石油机械的特色。
